基于MODBUS協議的遠程抄表系統

呂榕雪

摘 要：文章以PK6031智能儀表作為實驗設備，運用MODBUS協議，設計了遠程抄表系統，實現用戶對智能儀表的遠程參數設置和數據讀取，組成一對多的遠程抄表系統。基于MODBUS的遠程抄表系統實現電量的實時采集，進而實現對用戶用電的遠方抄錄與控制，系統的應用極大地提高了管理人員的工作效率。

關鍵詞：MODBUS；智能電表；遠程抄表

中圖分類號：TP274.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0112-02

Abstract： In this paper， the remote meter reading system is designed with PK6031 intelligent instrument as the experimental equipment and MODBUS protocol， thus the remote parameter setting and data reading of intelligent instrument are realized， and a one-to-many remote meter reading system is formed. The remote meter reading system based on MODBUS can realize the real-time collection of electricity quantity， and then realize the remote recording and control of users' electricity consumption. Finally， the application of the system greatly improves the working efficiency of the managers.

Keywords： MODBUS； intelligent ammeter； remote meter reading

引言

早期電表多依賴人工上門抄表，效率低，極大浪費人工成本[1]，運用現場總線技術可以很好解決這個問題。但采用傳統的模擬信號控制或者數字-模擬信號控制的缺點在于其需要“點對點”控制，無法構成現場控制大系統。現場總線技術可以突破瓶頸，它綜合了微電子技術、自動控制技術、網絡技術等多種技術手段，構成全分散、全數字化、雙向多點互聯的電表通信控制系統[2]。

1 系統方案設計

如圖1所示，抄表系統由上位機，電表以及相應的接口轉換器組成。PK6031智能儀表的連接方式為總線型拓撲結構。通訊介質為RS-485，采用的是Modbus-RTU協議。上位機與智能電表采用一主多從的通信方式。通信由主機發起，從機對主機發出信息中的地址碼進行識別，并根據識別的結果，做出相應的響應。主機的通信接口方式有兩類，主要取決于主機的外設接口。第一類由USB發出，經過USB/232模塊，轉換成RS-232電平，再由232/485模塊接入RS-485網絡。第二類直接由主機的RS-232端口發出，經232/485模塊接入RS-485網絡。上位機與智能電表之間采用半雙工工作方式，即在同一時刻只能處于接收信息狀態或者發送信息狀態，不能同時收發信息。

PK6031智能儀表采用國際最新電子技術，以專用 DSP器件，高速微處理器為核心的數字式智能電參數測量儀，是一款智能型電參數采集模塊，可測量三相三線制、三相四線制等系統中的電流、電壓、功率、功率因數、頻率、電能等。其輸出為 RS-485 數字信號：有電壓值、電流值、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、電能等參數。

系統采用RS-485總線。485總線采用數據差分傳輸方式進行數據通信。利用兩條線之間的壓差作為邏輯狀態的判定標準。因此，其共模抑制抗干擾能力較強，傳輸速率高。485總線上連接著多臺PK6031智能儀表，通過向485總線上廣播出Modbus協議信息，對應地從機做出反饋。在RS-485總線上理論上可接256個（地址碼00--FF）PK6031智能儀表。系統采用支持Modbus-RTU協議的PK6031智能儀表。同時該表還提供多種波特率選擇，可通過LCD液晶顯示屏進行參數設置和數據讀取。多個PK6031智能儀表之間使用地址碼進行區分，保證地址不重復，不會發生沖突。PK6031智能儀表通過RS-485通信接口接到485總線上與上位機之間進行數據通信。

2 Modbus協議實現

當主機以 RTU 模式在 Modbus 總線上進行通訊時，1個字節分成 2個 4 位 16 進制的字符，該模式的主要優點是在相同波特率下其傳輸的字符的密度高于 ASCII 模式[3]。

RTU模式下每個字節的格式

注意：如果沒有校驗位的話，則用停止位補充，即兩位停止位。

RTU模式下的幀格式

（1）定義defbyte數組依次拼接地址碼，功能碼，寄存器開始地址，寄存器數量，如表1所示。

（2）根據defbyte數組的內容，送入CRC校驗子函數，計算出CRC碼并返回。

（3）重新定義rebyte數組，將CRC碼拼接到數組尾部。CRC校驗碼低位在前，高位在后。在RTU模式下，沒有開始與結束標志位。取而代之的是t3.5：表示的是3.5個字符的靜止時間。這是因為在RTU模式下，信息幀之間以需間隔至少t3.5，即若兩個字節之間間隔大于或等于t3.5，則自動識別為兩個不同的信息幀。

如表2所示，在接到數據當中，第4，5個字節分別代表電壓和電流量程，讀取后需先轉換成10進制數據類型。第6，7字節代表電流變比為4位16進制數。轉換成10進制的策略是：高八位若不為0，則高八位乘以256，加上第八位的數值。若高八位為0，則只需計算第八位數值即可。

3 UI界面設計

在進行UI界面設計的時候，需將同一類的一些控件放到同一個模塊里面，這樣用戶在使用的時候就不會感到很凌亂[4]。如圖2所示，在串口設置模塊當中，有關于串口設置的端口號，波特率，校驗位，數據位，停止位的設置。經過這樣的設計之后，用戶不至于會與電表的波特率設置相互混淆。在還沒有打開串口的時候，有可能用戶會觸發發送按鍵，這樣程序就會報錯。因此，在還沒有打開的時候，不能激活相應的按鍵。只有在串口打開的條件下，才能對發送等按鍵進行激活。串口打開的時候，應沒有辦法二次打開，串口打開按鍵應該無法使用，串口關閉的按鍵激活，防止用戶進行誤操作。

在設計UI界面的時候，須考慮到用戶的操作順序。用戶的操作順序：打開串口——寫入相應參數——讀取電表讀數。因此，在設計的時候應有這方面的考慮，讓用戶操作盡量舒適，滿足從上到下，從左到右的習慣。此外，界面增加一個信息提示欄，讓用戶知道自己的指令是否已經發送出去，得到的數據是否校驗成功等，增加人機互動性。

4 結束語

基于Modbus的總線系統優勢在于其系統的錯誤校驗，數據交換速度以及可靠性都是傳統智能儀表所不能比擬的，這套系統克服了其他通信方式一些沒有辦法彌補的缺陷。網絡管理功能落后，對錯誤的處理能力弱等缺陷。此外，因本系統嚴格按照Modbus協議的有關規定，所有支持Modbus控制協議的設備都可以經過簡單的編程搭接到總線上，具有較強的通用性。本系統設計了良好的UI界面，設計了眾多的按鍵功能，各個組合鍵的配合使用可以方便現場的操作和設置。

參考文獻：

[1]金萍，劉正其.一種基于ZIGBEE的無線傳感網絡的智能抄表系統[J].電力工程技術，2016，35（4）36-39.

[2]王利成，陳朝霞.遠程抄表系統通訊技術的應用研究[J].工業技術，2016，（6）177-177.

[3]王俊杰，徐建文.基于MODBUS-RTU變頻器的PLC設計[J].工業控制計算機，2016，29（02）15-16.

[4]C#編程指南[M].龔小平，史艷輝譯.中國水利水電出版社，2002.endprint